Composantes du mod`ele et description des processus

Deux termes de transport apparaissent dans l’´equation (1.6). Au premier ordre, l’advection est essentiellement horizontale et la diffusion verticale. Il est important de

bien d´ecrire ces deux termes de transport notamment lorsqu’ils sont tous les deux faibles parce que cette situation favorise l’accumulation de polluants et conduit `a l’apparition de pics de pollution.

Lorsqu’elles ne sont pas directement adapt´ees `a la r´esolution du maillage, les compo- santes horizontales du vent sont interpol´ees lin´eairement et la composante verticale est recalcul´ee pour respecter l’´equation de continuit´e selon :

Ui+1,j,k− Ui,j,k ∆xi,j,k +Vi,j+1,k− Vi,j,k ∆yi,j,k +Wi,j,k+1− Wi,j,k ∆zi,j,k = 0 (1.12)

A moins de r´esoudre toutes les ´echelles, il est n´ecessaire d’introduire la d´ecomposition de toute grandeur physique φ en un champ moyen ¯φ et une fluctuation φ′. Ainsi, φ = ¯φ + φ′ avec ¯φ′

= 0. Dans l’´equation 1.6, le terme de corr´elation w′_c′ _{est classiquement}

mod´elis´e en utilisant la th´eorie K par −K∇¯c, traduisant que le flux vertical turbulent est proportionnel au gradient de concentration vertical. On notera qu’en toute rigueur, cette approche devrait aussi ˆetre appliqu´ee pour le terme de chimie†1_.

Le coefficient Kzest d´etermin´e `a partir la param´etrisation de Louis [Louis et al., 1982].

Le calcul met en jeu une fonction qui diff`ere selon le signe du nombre de Richardson (indicateur de la stabilit´e de l’atmosph`ere). On consid`ere que la troposph`ere n’est jamais parfaitement stable ce qui impose une valeur critique maximale pour le nombre de Richardson Ric. Une valeur th´eorique de 0.21 est pr´econis´ee mais les mod`eles utilisent en

pratique une valeur comprise entre 0.15 et 1.

La grande sensibilit´e des param`etres est mise en ´evidence sur la figure 1.7. Elle repr´e- sente des valeurs horaires d’ozone en µg.m−3 _{pendant dix jours sur Europe. L’influence}

est tr`es nette la nuit o`u un brassage vertical plus important conduit `a des valeurs d’ozone plus fortes. Comparativement les pics de l’apr`es-midi sont peu influenc´es par ce param`etre.

Les flux de concentrations de polluants apport´es de l’ext´erieur du domaine sont pris en compte par l’interm´ediaire de concentrations advect´ees au niveau des faces lat´erales. Elles proviennent par exemple d’une simulation `a plus grande ´echelle. A l’´echelle continentale, MOZART2 ([Hauglustaine et al., 1998]) fournit des valeurs journali`eres typiques pour certaines esp`eces chimiques. Dans le cadre d’une application r´egionale, nous la couplons `

a une simulation `a l’´echelle continentale (one-way nesting).

†1_{Comme d´ecrit dans [Sportisse, 1999], l’erreur introduite d´epend de la diffusion et de la non-lin´earit´e}

Fig. 1.7 – Concentrations horaires d’ozone `a Lille (Simulation europ´eenne) pour deux valeurs du nombre de Richardson critique. Les ronds pleins (respectivement vides) corres- pondent `a Ric= 0.25 (respectivement Ric= 1).

1.2.3.2 D´epˆot

Le flux de d´epˆot sec est param´etris´e classiquement par une vitesse de d´epˆot que mul- tiplie une concentration. La mod´elisation utilis´ee met en jeu trois r´esistances en s´erie et repr´esente relativement bien le processus [Wesely, 1989]. Chacune des r´esistances traduit un ph´enom`ene devenant pr´epond´erant au cours du transfert de l’atmosph`ere vers le sol.

φd´epˆot= vdepC =

C Ra+ Rb+ Rc

(1.13) o`u :

• Ra d´esigne la r´esistance a´erodynamique et est pilot´ee principalement par la

turbulence atmosph´erique. Elle est ind´ependante du polluant consid´er´e.

• Rb correspond `a la r´esistance attribu´ee `a la sous-couche tr`es proche de la canop´ee.

Elle traduit l’importance de la diffusion mol´eculaire dans la fine couche quasi- laminaire d’air en contact avec la surface du sol.

• Rc est la r´esistance de la canop´ee. Elle est fonction du polluant, de l’occupation du

sol, de l’humidit´e et de la saison. Elle correspond aux interactions physico-chimiques entre le polluant et la surface d’absorption. Elle inclut notamment l’action du couvert v´eg´etal. Les jeux de constantes sont attribu´ees en fonction de la saison et

les phases de transition avec et sans feuilles ne sont pas pr´ecis´ement d´ecrites ce qui conduit `a de fortes variations lors des changements de saisons.

La figure 1.8 repr´esente des valeurs typiques de d´epˆot sec d’ozone pour l’ann´ee 1998.

Fig. 1.8 – Moyenne annuelle de vitesse de d´epˆot d’ozone en m.s−1 .

1.2.3.3 Les ´emissions

Les cadastres d’´emissions recensent l’ensemble des ´emissions gazeuses d’une zone g´eographique avec leur distribution spatiale et temporelle. Ces bases de donn´ees sont ´etablies `a partir de mod`eles d’´emissions tenant compte de donn´ees diverses (population, indice de production, comptages routiers, consommation d’´energie, temp´erature, flux solaires, occupation des sols, ...).

Deux types d’approches sont utilis´ees simultan´ement pour constituer cette base. La premi`ere de type ”top-down” consiste `a collecter des donn´ees g´en´erales qui concernent la zone d’´etude et `a les redistribuer aux ´echelles spatiales et temporelles souhait´ees. La seconde approche de type ”bottom-up” a pour principe de collecter les donn´ees les plus fines possibles et de les rassembler pour obtenir la r´esolution voulue.

S’il est relativement simple d’´etablir un inventaire pour les sources fixes, le travail est beaucoup plus complexe pour les sources mobiles. En pratique, il est possible de r´ealiser

des reconstructions de cadastre `a partir de mesures du trafic.

Pour utiliser ces donn´ees dans les mod`eles de qualit´e de l’air, il est n´ecessaire de connaˆıtre la composition chimique de chaque source d’´emissions et de quantifier son flux avec une r´esolution spatiale et temporelle en relation avec le domaine d’´etude et la p´eriode consid´er´ee, ainsi qu’avec le mod`ele chimique utilis´e. Typiquement, un inventaire comprend les ´emissions totales annuelles d’esp`eces inventaires comme CO, NOx, SO2 et

COV qui sont r´ef´erenc´ees par secteur d’activit´e selon la nomenclature SNAP (Selected Nomenclature for Air Pollution). Eventuellement, elles peuvent d´ej`a avoir ´et´e r´eparties par mailles en utilisant des crit`eres tels que les tailles de population par exemple.

Les ´emissions sont d´ecompos´ees le plus couramment en des flux de surface qui servent de condition au limite au sol (c’est le terme Ei dans l’´equation 1.7) et des flux volumiques

en altitude (Si, voir l’´equation 1.6). Nous avons modifi´ee la distribution verticale utilis´ee

dans le mod`ele EMEP (tableau 1.1) pour qu’elle soit adapt´ee `a la r´esolution verticale du mod`ele. Elle consid`ere que les ´emissions provenant du trafic routier, de l’utilisation de solvants, de l’agriculture sont exclusivement ´emises au sol tandis que les autres secteurs d’activit´es ´emettent `a la fois au sol et en altitude. Pour l’industrie (SNAP 1), les niveaux ´elev´es d’´emissions correspondent `a la prise en compte d’une sur-hauteur d’´emission provenant du fait que les gaz d’´ejection en sortie de chemin´ee montent rapidement dans l’atmosph`ere en raison de leur temp´erature ´elev´ee.

hauteur sol 92 m 184 m 324 m 522 m 781 m 1106 m SNAP 1 0 0 0 8 46 29 17 SNAP 2 16.7 33.3 50 0 0 0 0 SNAP 3 0 0 4 19 41 30 6 SNAP 4 30 60 10 0 0 0 0 SNAP 5 30 60 10 0 0 0 0 SNAP 6 100 0 0 0 0 0 0 SNAP 7 100 0 0 0 0 0 0 SNAP 8 100 0 0 0 0 0 0 SNAP 9 3.3 6.7 15 40 35 0 0 SNAP 10 100 0 0 0 0 0 0

Tab. 1.1 – R´epartition verticale des ´emissions par SNAP utilis´ee dans le mod`ele EMEP. Lorsqu’une hauteur d’´emission est disponible, comme c’est le cas par exemple pour des chemin´ees industrielles, les ´emissions sont dispers´ees instantan´ement dans tout le volume de la maille correspondante (c’est le terme Si dans l’´equation 1.6). En pratique, cela peut

conduire `a des maxima de concentrations trop forts. Pour l’´eviter, on peut faire appel `a un sous-mod`ele (plume-in-grid) qui consid`ere individuellement des bouff´ees lagrangiennes soumises `a la dispersion et `a l’´evolution chimique jusqu’`a ce que leur d´eveloppement soit

suffisant pour ˆetre ins´er´ees dans le mod`ele.

La r´epartition horizontale appliqu´ee par le mod`ele de g´en´eration d’´emissions est faite selon un crit`ere qui accorde un poids plus important aux types de sol urbain, en compa- raison `a la forˆet ou aux autres types de sol. Pour une maille inventaire d’´emission totale E comportant Nurb sous-mailles urbaines, Nf or sous-mailles de forˆet et Nautres sous-mailles

des autres types de sol, l’´emission e<type>d’une sous-maille dont le type de sol est < type >

(`a choisir entre urbain, forˆet et autres) est donn´ee par :

e<type> =

E

γurbNurb+ γf orNf or+ γautresNautres × γ<type>

o`u γ<type> est le poids accord´e `a chaque type de sol. Par exemple, nos simulations sont

effectu´ees avec γurb= 12, γf or = 1.6 et γautres = 1.

La r´epartition temporelle est r´ealis´ee sur la base des coefficients mensuels, journaliers et horaires donn´es par pays et par classes SNAP (GENEMIS). A chaque esp`ece inventaire correspond une sp´eciation en esp`eces r´eelles, puis cette description d´etaill´ee est agr´eg´ee en esp`eces mod`eles (figure 1.9). Par exemple, les COVNM sont ventil´es en classes de compos´es de r´eactivit´es similaires puis agr´eg´es en utilisant une proc´edure sp´ecifique propos´ee par Middleton [Middleton et al., 1990] qui fait varier les coefficients d’agr´egation en fonction de l’int´egrale temporelle de OH.

Fig. 1.9 – Sp´eciation-agr´egation des compos´es organo-volatils.

Les ´emissions biog´eniques (terp`enes et isopr`enes) sont calcul´ees s´epar´ement en fonc- tion du type de sol, de l’´eclairement et de la temp´erature en suivant [Simpson et al., 1999].

Fig. 1.10 – Emissions surfaciques moyennes de NOx (µg.m−2s−1).

1.2.3.4 Chimie troposph´erique

Les m´ecanismes gazeux ´etant `a l’origine de la pollution photochimique sont `a pr´esent relativement bien compris et ont ´et´e impl´ement´es dans un nombre important de sch´emas chimiques.

Les compos´es chimiques dans l’atmosph`ere sont de l’ordre de plusieurs milliers et les r´eactions chimiques se produisant entre eux sont encore plus nombreuses. Actuellement, tous ces compos´es ne sont pas bien connus et il est impossible de simuler toutes ces r´eactions chimiques dans les mod`eles 3D pour des raisons ´evidentes de coˆut de calcul. Les m´ecanismes chimiques utilis´es sont donc bas´es sur une repr´esentation simplifi´ee des esp`eces chimiques en les regroupant par classe de compos´es ayant des propri´et´es mol´eculaires ou r´eactionnelles semblables. Un large ´eventail de sch´emas chimiques existent comme par exemple RACM [Stockwell et al., 1997b], RADM2, SAPRC, CBM-IV, MELCHIOR, etc ... Un outil de g´en´eration automatique de r´eactions chimiques comme SPACK (Simplified Preprocessor for Atmospheric Chemical Kinetics [Djouad et al., 2002a]) s’av`ere utile pour g´en´erer facilement les m´ecanismes.

Les constantes photolytiques sont d´eterminantes pour la simulation des esp`eces photochimiques. L’approche retenue consiste `a les calculer par ciel clair, ce qui permet de les tabuler uniquement en fonction de la latitude, de l’altitude et du temps. Un facteur correctif (att´enuation) fonction de la couverture nuageuse leur est appliqu´e localement.